基于zigbee技术在矿井下节点切换机制的研究

赵刚　敖文杰

摘 要：节点接入切换机制和路由技术是井下定位系统的关键技术。根据矿井环境的特点，改进移动节点入网接入方式，提出移动节点地址分配的新方案。该方案中移动节点的地址不由协调器分配，在入井前由程序直接设定，且不随位置的移动而改变。仿真结果表明，提高移动节点入网成功率，减少了端到端的延时和丢包率，提高了数据传输效率。

关键词：Zigbee；切换机制；矿井；人员定位系统

中图分类号：TN926 文献标识码：A

Abstract：The joining and switching mechanism of motive node and routing is the key technologies in people's position system under mine. According to the characteristics of underground mine environment， we improved the joining and switching mechanism of motive node， and put forward a new scheme of node address allocation. In this scheme， the motive node's address was not assigned by the coordinator， but was directly set before entering the mine， and did not change with the location of the mobile . The simulation results show that the scheme can raise the success rate of motive node to join the network， reduce endtoend latency and packet loss rate， and increase the data transfer efficiency.

Key words：Zigbee；switching mechanism；mine；personnel position system

1 引 言

基于ZigBee技术[1]的煤矿井下人员无线定位监控系统已成为研究的热点。煤矿井下人员跟踪定位目标一般较多，定位精度要求更高，数据采集和系统反应速度要求较快，情况也较复杂，在系统中移动节点的接入切换机制是系统成功的关键。本文根据井下人员定位的特点，提出了适合于井下的移动节点切换机制. 提高了移动节点入网的成功率。

2 移动节点接入和切换机制

在井下定位系统中，移动节点的加入，增加了网络的复杂度。移动节点能否成功入网成为系统的关键，如果移动节点根本无法成功接入网络，那么，数据的传输就无法实现。更不可能对移动节点定位。因此，一个良好的节点接入与切换机制的确立是至关重要的。

3 zigbee技术移动节点入网切换机制

3.1 父设备以直接方式将子设备加入网络

在一个ZigBee网络中具有路由能力设备与一个新设备连接时，它就与新加入的设备形成父子关系。新设备成为子设备，而原有的设备成为父设备。在zigBee网络中，子设备通过预先分配的父设备（ZigBee协调器或路由器）直接同网络连接。

父设备的网络层管理实体首先需要确定所指定的设备是否己经存在于网络中。为了完成这个父设备的网络层管理实体将搜索它的邻居表，以确定是否有一个相匹配的64位地址。如果该地址存在，则网络层管理实体将终止该过程，并向上层报告该设备已经存在于网络设备列表中。

如果父设备没有搜索到匹配的64位地址，网络层管理实体将为这个新设备分配为一个16位网络地址，该16位地址在网络中是唯一的，每一个父设备具有一定的可分配地址空间，如果父设备有足够的空间，则它将为该设备在它的邻居表中创建一个新的入口，同时向上层报告连接成功。如果空间不够，则终止该过程，并且向上层报告空间不足。

每一个父设备的地址空间大小由ZigBee协调器分配。在父设备将子设备加入网络的过程中，他们并不交换任何信息。一旦父设备把子设备加入网络，子设备为了建立父子网络关系必须与父设备进行通信。此时子设备将启动孤点方式进行网络连接。

3.2 通过孤点方式加入或重新加入网络

一个已经同网络连接的设备为了完成建立它与其父设备的关系，应开始执行孤点流程。另外，如果一个以前已经连接网络的设备，其网络层管理实体不断收到来自于MAC层发送的通信失败信息，则设备同样开始执行孤点流程。

l）子设备连接过程

子设备的网络层管理实体将请求MAC层对物理层所规定的所有有效通信信道进行孤点扫描，如果成功扫描到父设备，网络层管理实体将向其上层报告请求连接或重新连接网络己经成功执行；如果孤点扫描不成功，网络层管理实体同样向上层报告，并终止该过程。

2）父设备连接过程

父设备的网络层管理实体首先判断该孤点设备是否是它的子设备。为了对其进行判断，需要将孤点设备的扩展地址和在邻居表中所记录的子设备地址相比较，如果存在相匹配的地址，则网络层管理实体将得到其相应的16位网络地址以及它所对应MAC层的孤点响应状态；如果不存在相匹配的地址，说明孤点设备不是他的子设备，网络层管理实体将在随后对MAC层的孤点响应报告中报告孤点设备不是它的子设备。

3.3 节点地址分配

网络地址分配主要依据三个网络参数，最多子设备数（nwkMaxChildren，Cm）、最大网络深度（nwkMaxDepth，Lm）、设备允许链接的最大路由器数（nwkMaxRouters，Rm），根据下面的公式（1）计算地址偏移量Cskip（d），其中d为网络深度，地址偏移量决定了设备可以分配给其具有路由能力的子设备的地址块的大小。

4 改进后的节点接入切换方式

4.1 节点入网接入切换方式的缺点：

1）在相同网络下，移动节点的平均接入成功率随着移动速度的上升显著下降。无论移动节点是直接入网还是通过孤点方式入网，都执行了扫描、确认、地址分配等一系列的复杂握手程序，减少了移动节点的接入成功率，曾加了网络的响应时间。

2）在一个ZigBee网络中，每个设备的网络地址都是唯一的。当一个父节点所连接的子节点数目没有达到允许连接最大值时，其对应子节点地址留空，为新加入的设备预留。没有预留地址的父节点无法接纳新设备，此时新设备就需要寻找其他父节点。如果在允许的传输距离内没有能够接纳新设备的父节点，那么除非有其他设备退出，否则新设备将无法加入网络正常工作。这也造成有些节点不能入网。

3）应用公式1为网络中节点分配地址，节点数量存在饱和度。当节点数量多于饱和数量时候，超出的节点不能分配地址，这样就造成了有的节点不能入网。在井下人员定位中，当井下人员数量超过一定数额时候超过饱和度的人员不能定位，这对于井下人员定位系统的缺点是致命的。如：在给出当Cm=4，RM=4，Lm=3时，图1中，设备B的周围最多容纳21个节点，I的周围最多容纳5个节点。

4.2 改进后的移动节点接入方式

针对原有移动节点入网接入切换机制中的不足，对移动节点的入网方式做了如下改进。

1 ）在本系统中设定移动节点在井下通过泛洪的方式与移动节点有效通信范围内的所有信标节点进行通信。

2 ）在默认情况下，ZigBee网络使用树状拓扑模型分配地址，每个节点的地址都由父节点分配。其父节点分配所有地址在同一网络中都是唯一的。为了避免网络中的地址重复，我们对地址分配的区间做了规定。协调器提供给固定节点节点（包括信标节点和其他放置在指定位置采集瓦斯浓度、温度等信息的节点）地址范围是0X0000～0XEF00，包括协调器在内最多可以放置61440个信标节点。移动节点的地址不是由协调器分配，移动节点在井下的任何位置，其地址是唯一的，入网前由程序直接写入，范围是0X0F00～OXFFF，每次入井人数最多可以达到4096人。

4.3 移动节点入网仿真实验

NS2[2]的全称是：networkSimulato：（version2）。NS2是面向对象的离散事件驱动的网络模拟器，由Berkley的California大学VINT项目研究组开发，后来 CaenegieMellon大学的Monarch研究组对其进行扩展，支持节点移动性并包括了无线电传播模型、无线网络接口和媒体访问控制（MAC）的现实物理层。NS2是基于LINUX操作系统的仿真环境，它使用C++语言完成各个协议的实现；仿真脚本采用Otlc语言编写；并提供了各种格式的trace文件。NS2支持广域网、局域网、移动通信网、卫星通信网等多种网络。

我们用Ns-2进行仿真，设有24个信标节点以3×8矩形方阵形式均匀分布。节点间距离是20米。节点间的最大通信距离为30米，协调器在节点分布区域的最右端。设有5个移动节点同时从最左端开始以速度为0.5m/s速度向右边移动，以后分别再以1m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3m/s，的速度从左边地动到右边。用传统的zigbee技术节点接入方式和改进后的节点接入方式实验结果如图2所示。

从图2中我们可以看出zigbee技术移动节点的入网成功通信率随节点移动速度的增加急速降低。改进后随移动节点速度的增加节点入网成功通信率缓慢降低，且相同速度下的通信成功率高于传统的zigbee技术。我们定义节点入网通信成功率为：

节点入网通信成功率=协调器接收数据包的个数节点发送数据包的个数

5 结 论

通过对移动节点入网方式的改变，减少了所有由于移动节点的位置变化而带来的复杂控制。避免了由于节点的移动而使部分移动节点不能成功入网的现象。由于移动节点不由协调其分配地址，避免的由于父节点没有预留地址而使新加入的移动节点无法入网。

参考文献

[1] ZigBee Alliance. ZigBee Specification[EB/OL] . http ：/ /www. zigbee. org ，2005-05-10.

[2] 徐雷鸣，庞博，赵耀.NS 与网络模拟[M].北京：人民邮电出版社，2003.